Zink-Luft-Batterie

Zink-Luft-Batterien

Eine Zink-Luft-Batterie ist eine Primärzelle, d.h. elektrische Einweg-Zelle (umgangssprachlich meist einfach nur als „Batterie“ bezeichnet), deren Spannung von theoretisch maximal 1,60 V aufgrund einer Zink-Sauerstoff-Reaktion entsteht. Die praktisch erreichbare Ruhespannung liegt jedoch bei nur 1,35 bis 1,4 V, da die Sauerstoffreduktion an der Kathode stark gehemmt ist. Damit liegen Zink-Luft-Batterien im gleichen Spannungsbereich wie die nicht mehr hergestellten Quecksilberoxid-Zink-Batterien und haben diese bei der Anwendung in Hörgeräten (siehe auch Hörgerätebatterie) ersetzt. Die Zink-Luft-Batterie wurde vor allem aufgrund des Rohstoffmangels nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelt. Heute bietet sie in der Bauform als Knopfzelle durch besonders hohe Energiedichte und eine annähernd waagerechte Entladungskurve die optimale Stromversorgung für analoge und digitale Hörgeräte.

In der Zink-Luft-Batterie wird Zinkmetall mit Luftsauerstoff in einem alkalischen Elektrolyten zum Oxid oder Hydroxid oxidiert und die dabei freiwerdende Energie elektrochemisch genutzt. Es laufen die folgenden Reaktionen ab:

Entladung

Schnittdarstellung

	Gleichung[1]
Anode	$\mathrm{2\ Zn + 8\ OH^- \to 2\ Zn(OH)_4^{2-} + 4\ e^-}\quad (\mathrm{E^ 0} = -1.199\,\mathrm{V})$[2] Oxidation / Elektronenabgabe
Elektrolyt	$\mathrm{2\ Zn(OH)_4^{2-} \to 2\ ZnO + 2\ H_2O + 4\ OH^-}$
Kathode	$\mathrm{O_2 + 2\ H_2O + 4\ e^- \to 4\ OH^-}\quad (\mathrm{E^ 0} = 0.401\,\mathrm{V})$[3] Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion	$\mathrm{2\ Zn + O_2 + 2\ H_2O \to 2\ ZnO + 2\ H_2O}\quad (\Delta U = 1.6\,\mathrm{V})$ Redoxreaktion / Zellreaktion

Eine Wiederaufladbarkeit kann erreicht werden, wenn das umgesetzte Metall mechanisch ersetzt wird, womit eine Variante einer Brennstoffzelle mit festem Brennstoff vorliegt. Solche Systeme werden seit den 1970er Jahren auf ihre Eignung in Elektrofahrzeugen geprüft, haben sich bisher jedoch noch nicht bewähren können.

Eine elektrische Wiederaufladung wäre weniger aufwändig und damit benutzerfreundlicher. Ein Wiederaufladen der Zink-Elektrode ist in einem wässrigen alkalischen Elektrolyten möglich; dabei bilden sich aber Dendriten, die zu Kurzschlüssen führen. Außerdem muss eine bifunktionale, poröse Gasdiffusionselektrode verwendet werden. Bifunktional heißt, dass sie zur Reduktion des Luftsauerstoffs und zur Oxidation des Entladungsprodukts (OH⁻) an der Dreiphasengrenze Festelektrode – Flüssigelektrolyt – Gasraum fähig sein muss.

Ladung

	Gleichung
Anode	$\mathrm{4\ OH^- \to O_2 + 2\ H_2O + 4e^-}$ Oxidation / Elektronenabgabe
Kathode	$\mathrm{2\ ZnO + 2\ H_2O + 4\ e^- \to 2\ Zn + 4\ OH^-}$ Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion	$\mathrm{2\ ZnO \to 2\ Zn + O_2 + 2\ H_2O}$ Redoxreaktion / Zellreaktion

Die Poren der Gasdiffusionselektrode müssen mit einem Elektrolyten benetzt sein, um eine große Reaktionsfläche für den Sauerstoffumsatz an der Dreiphasengrenze anzubieten. Das „Herzstück“ der Gasdiffusionselektrode ist eine etwa 1 mm dünne Aktivschicht, die ein leitendes Trägermaterial aus feinteiligem Kohlenstoff aufweist, auf das elektrolytseitig ein Katalysator zur Beschleunigung der Sauerstoffreduktion und Hydroxidoxidation aufgebracht wird.

In Zink-Luft-Zellen sind etwa 400 bis 600 Lade-/Entladevorgänge erreichbar; die mittlere Entladespannung beträgt etwa 1,16 V.

Bei neuen Batterien ist die Eintrittsöffnung für den Luftsauerstoff meist mit einer Lasche versiegelt, so dass die Redoxreaktionen erst bei Entfernung dieses Siegels einsetzen. Daher zeichnen sich Zink-Luft-Batterien durch eine lange Lagerfähigkeit aus, müssen nach Entfernung des Siegels jedoch in der Regel innerhalb weniger Wochen aufgebraucht werden.

Referenzen

1. ↑ http://www1.duracell.com/oem/primary/Zinc/zinc_air_tech.asp Technisches Datenblatt von Duracell.
2. ↑ CRC Handbook of Chemistry and Physics, 77th Edition, 1996, Seite 8-25.
3. ↑ CRC Handbook of Chemistry and Physics, 77th Edition, 1996, Seite 8-23.

Weblinks

• Spiegel-Online-Bericht über verbesserte Zink-Luft-Batterien, abgerufen am 4. Okt. 2009
• RWE Innogy investiert 5,5 Millionen Euro in die Erforschung verbesserter Zink-Luft-Batterien, abgerufen am 4. Okt. 2009
• Erklärung zum Zink-Luft-Akku
• Bericht in der Computerwoche über Neuentwicklungen bezüglich Zink-Luft-Akkus, abgerufen am 6. Nov. 2009

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